CN109916756A - 一种测试海工混凝土抗冲磨性能的试验装置及其试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种海工混凝土冲磨试验装置及其试验方法。一种测试海工混凝土抗冲磨性能的试验装置，包括用于容纳模拟海水和试件的试验容器，用于控制试验容器内试验环境温度的控温装置，以及用于驱动水流、模拟海浪冲刷的搅拌装置和用于连接试验容器和控温装置的连通管；试件位于试验容器内，使用时试验容器内装有人工海水溶液，试件的上表面铺有冲磨介质，搅拌装置的搅拌叶轮位于试验容器内。本发明结构简单，操作方便，可用来模拟实际海洋环境下，特别是浪溅区多种耦合因素作用下水泥基材料的抗冲磨性能评价方法和海工混凝土新材料的开发研究，具有适用范围广、模拟海洋环境真实、节能环保等特点的海工混凝土抗冲磨试验装置及试验方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种海工混凝土冲磨试验装置及其试验方法，尤其涉及一种混凝土在模拟海 水环境下冲磨试验装置及其试验方法。
背景技术
混凝土磨蚀破坏约占耐久性破坏的10％，而磨蚀冲蚀与其他因素联合作用产生破坏的比 例会更高，是目前水利工程、道路桥梁工程和海洋工程等具有磨蚀冲蚀环境条件需考虑的混 凝土耐久性一个重要方面。随着基础设施工程的服役环境日趋严酷以及复杂性加剧，在混凝 土磨蚀冲蚀机理及材料设计方面需要进行深入的研究。由于不同环境不同工况运行条件的差 异，混凝土受到磨蚀冲蚀的破坏特征也存在较大的差异，导致混凝土磨蚀冲蚀无法利用统一 标准进行设计的主要原因是源于不同工况而设计的试验方法。针对不同的冲磨破坏形式，深 入研究混凝土在海洋环境工况下的破坏机理，提出准确的试验评价方法，对海工混凝土的开 发和应用具有重要意义。截至目前，针对水工混凝土抗冲磨性能评价的问题，我国《水工混 凝土试验规程》DL/T 5150-2001和《水工建筑物抗冲磨防空蚀混凝土技术规程规程》DL/T 5207-2005主要规定了三种混凝土抗冲磨性能测试方法，包括圆环法、水下钢球法、风砂枪 法，然而这三种评价方法都不能很好地适用于海工混凝土，主要原因是因为海工混凝土的冲 磨问题的研究极其复杂，影响因子多，传统的试验方法往往考虑因素单一，完全模拟实际工 况下的冲磨破坏十分困难，并且存在试验周期长、模具笨重，试验难度较大等问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种测试海工混凝土抗冲磨性能的试验装置及其试验方法，该试验 装置结构简单、操作方便，可用来模拟实际海洋环境下，特别是浪溅区多种耦合因素作用下 水泥基材料的抗冲磨性能评价方法和海工混凝土新材料的开发研究，同时，具有适用范围广、 模拟海洋环境真实、节能环保的特点。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种测试海工混凝土抗冲磨性能的试验 装置，其特征在于：包括用于容纳模拟海水和试件的试验容器4，用于控制试验容器4内试 验环境温度的控温装置1，以及用于驱动水流、模拟海浪冲刷的搅拌装置3和用于连接试验 容器和控温装置的连通管2；试件7位于试验容器4内，试件7由底部固定部件12固定在试 验容器4上，使用时试验容器4内装有人工海水溶液10，试件7的上表面铺有冲磨介质11， 搅拌装置3的搅拌叶轮位于试验容器4内；试验容器4由2根连通管2与控温装置1相连通。
所述试验容器4为内径110mm、外径150mm、高200mm、底部5厚度30mm的圆柱 桶；试验容器4内的底部5处设有底部固定部件12，底部固定部件12用来固定试件7；试 验容器4内设有夹层6，夹层6的宽度为10mm，试验容器4的外壁左侧的上端部设有出水 口8，出水口8与夹层6相连通，出水口8由第二根连通管2与控温装置1的恒温水浴水箱 上的循环水进水口19相连通，试验容器4的外壁右侧的下端部设有进水口13，进水口13与 夹层6相连通，进水口13由第一根连通管2与控温装置1的恒温水浴水箱上的循环水出水 口20相连通；试验容器4的上端安装有盖子9，盖子9的中心设有中心孔(盖子9由两个半 圆盘形盖子组成，两个半圆盖的中心对应设有半圆孔；盖子9上的中心孔用于电机24的输 出轴穿过)。
用于控制试验容器4内试验环境温度的控温装置1，包括恒温水浴水箱14、加热器、以 及直接安装在恒温水浴水箱上的控制器15；恒温水浴水箱14内部设有水泵21，水泵21由内置出水管与循环水出水口20相连，恒温水浴水箱14外壁的上端部设有循环水进水口19，使用时恒温水浴水箱14内装有循环水10；加热器位于恒温水浴水箱14内，加热器与控制器15的温度设置器17相连，控制器15包括循环水开关16、温度设置器17、加热开关18，加 热开关18设置在加热器与温度设置器17相连的线路上，循环水开关16设置在水泵21的电 源线上。
用于驱动水流、模拟海浪冲刷的搅拌装置3，包括用于固定装置、电机24、双轴恒力升 降杆25、搅拌叶轮26，用于提供驱动力的电机24由双轴恒力升降杆25安装在固定装置上， 电机24的输出轴穿过盖子9上的中心孔，电机24的输出轴上安装有用于搅拌的搅拌叶轮26， 固定装置安装在试验容器4上。
固定装置括包底部支撑22和竖直支撑23，底部支撑22固定在试验容器4上，竖直支撑 23的下端与底部支撑22固定，竖直支撑23的上端安装双轴恒力升降杆25。
一种测试海工混凝土抗冲磨性能的试验方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：准备测试海工混凝土抗冲磨性能的试验装置；
S2：按照国标《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081)中规定的“混凝土 试件的成型与养护方法”，采用直径100mm、高50mm的圆柱型模具成型胶砂或者混凝土，养护至规定龄期后取出，得到试件；
S3：试验前，将试件放入水中进行饱水处理，至少浸泡48h；
S4：试验时，取出试件，擦去表面水分，称重，将试件放入试验装置的试验容器4内底 部的底部固定部件内12固定；
S5：在试验容器4内倒入冲磨介质11于试件表面，按照美国ASTM D1141-2003d的规定配制标准浓度的人工海水溶液，之后将人工海水溶液倒入试验容器4内浸没试件上表面60 mm；
S6：在恒温水浴水箱(循环水浴水箱)14中加入水浸没水泵21和内置出水管，将恒温 水浴水箱14内水温调至设定温度25℃，启动水泵21；
S7：30min后，用温度计测量试验容器4的人工海水溶液的温度，此时人工海水溶液的 温度达到25℃；
S8：将搅拌叶轮26下降至人工海水溶液液面以下，试件上表面以上30mm，盖上盖子9， 启动搅拌叶轮，调节转速至2400r/min，测量此时的水流速度并记录，冲磨试验开始；
S9：每隔12h，在试验容器4内加1～2次人工海水溶液至原水位高度；
S10：累积冲磨72h，取出试件，清洗干净，擦去表面水分，进行称重；
S11：重复步骤S2-S10，记录每次试验后试件的质量损失量，按照《水工混凝土试验规 程》DL/T 5150-2001中的公式1，计算试件的抗冲磨强度fa；
式中：
fa——试件的抗冲磨强度，即单位面积上被磨损单位质量所需的时间，h·m2·kg-1；
T——试验累积时间，h；
A——试件受冲磨面积，m2
ΔM——经T时段冲磨后，试件损失的累积质量，kg。
与现有技术相比，本发明取得了以下的技术效果：
1、该试验装置结构简单、操作方便，可用来模拟实际海洋环境下，特别是浪溅区多种 耦合因素作用下水泥基材料的抗冲磨性能评价方法和海工混凝土新材料的开发研究，同时， 具有适用范围广、模拟海洋环境真实、节能环保等特点。
2、本发明在“水下钢球法”的基础上，采用人工海水溶液代替水，可以模拟海洋环境 下氯离子侵蚀、硫酸盐侵蚀等协同作用对水泥基材料的冲磨破坏作用，更接近与海工混凝土 的实际服役环境下的工况条件；
3、本发明采用了恒温水浴水箱(超级循环水浴锅)对试验容器(试验桶)进行控温，对试验环境温度进行合理控制，可以模拟实际海洋环境温度，考虑到温度冲击对水泥基材料 冲磨破坏的耦合影响；
4、本发明采用直径100mm、高50mm的塑料模具成型胶砂或者混凝土，与传统“水下钢球法”所用的直径305mm、高450mm的钢模相比，成型所用的原材料更少，试件尺寸更 小，质量更轻；
5、本发明中搅拌叶轮的转速范围为100-8000r/min，可以模拟的水流速度范围较广；
6、由于试验中配制的人工海水溶液浓度可以随需调控，冲磨所用的钢球介质可以自由 组合，另外相比于混凝土试件，胶砂试件更容易被冲磨破坏，因此可以加速试验破坏，缩短 试验周期，试验效果更为明显。
附图说明
图1是本发明测试海工混凝土抗冲磨性能的试验装置的结构示意图。
图2是本发明中试验容器的结构示意图。
图3是本发明中控温装置的示意图。
图4是本发明中搅拌装置的结构示意图。
其中：1-控温装置、2-连通管、3-搅拌装置、4-试验容器、5-底部、6-夹层、7-试件、8- 出水口、9-盖子、10-人工海水溶液、11-冲磨介质、12-底部固定部件、13-进水口、14-恒温 水浴水箱、15-控制器、16-循环水开关、17-温度设置器、18-加热开关、19-循环水进水口、 20-循环水出水口、21-水泵、22-底部支撑、23-竖直支撑、24-电机、25-双轴恒力升降杆、26- 搅拌叶轮。
具体实施方式
为了更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明作进一步阐述。
实施例1
如图1所示，一种测试海工混凝土抗冲磨性能的试验装置，包括用于容纳模拟海水和试 件的试验容器4，用于控制试验容器4内试验环境温度的控温装置(或称循环水浴控温装置) 1，以及用于驱动水流、模拟海浪冲刷的搅拌装置3和用于连接试验容器和控温装置的连通 管(硅胶软管)2；试件7位于试验容器4内，试件7由底部固定部件12固定在试验容器4 上，使用时试验容器4内装有人工海水溶液10{人工海水溶液即为模拟海水，试件7、冲磨介质(钢球)浸在人工海水溶液10内}，试件7的上表面铺有(放置有)冲磨介质(采用： 钢球)11，搅拌装置3的搅拌叶轮位于试验容器4内(搅拌叶轮位于人工海水溶液10内， 并位于冲磨介质11的上方)；试验容器4由2根连通管2与控温装置1相连通。
如图2所示，所述试验容器4为内径110mm、外径150mm、高200mm、底部5厚度 30mm的圆柱桶；试验容器4内的底部5处设有底部固定部件12，底部固定部件12用来固 定试件(砂浆试件)7；试验容器4内设有夹层(夹层即水腔，用于对人工海水溶液10间接 加热)6，夹层(即水腔)6的宽度(或称厚度)为10mm，试验容器4的外壁左侧的上端部 设有出水口8，出水口8与夹层(即水腔)6相连通，出水口8由第二根连通管(硅胶软管) 2与控温装置1的恒温水浴水箱上的循环水进水口19相连通，试验容器4的外壁右侧的下端 部设有进水口13，进水口13与夹层(即水腔)6相连通，进水口13由第一根连通管(硅胶 软管)2与控温装置1的恒温水浴水箱上的循环水出水口20相连通{使用时套上连通管(硅 胶软管)，使试验容器4与恒温水浴水箱14内的循环水连通}；试验容器4的上端安装有盖 子9，盖子9的中心设有中心孔(盖子9由两个半圆盘形盖子组成，两个半圆盖的中心对应 设有半圆孔；盖子9上的中心孔用于电机24的输出轴穿过)。
如图3所示，用于控制试验容器4内试验环境温度的控温装置1，包括恒温水浴水箱(用 于容纳循环水的不锈钢水浴水箱)14、加热器、以及直接安装在恒温水浴水箱上的控制器15； 恒温水浴水箱14内部设有水泵(循环水泵)21，水泵21由内置出水管与循环水出水口20 相连，恒温水浴水箱14外壁的上端部设有循环水进水口19，使用时恒温水浴水箱14内装有 循环水(或称水)10；加热器位于所述恒温水浴水箱14内(加热器对循环水加热)，加热器与所述控制器15的温度设置器17相连，控制器15包括循环水开关16、温度设置器17、 加热开关18，加热开关18设置在加热器与所述温度设置器17相连的线路上，循环水开关 16设置在水泵21的电源线上。
如图4所示，用于驱动水流、模拟海浪冲刷的搅拌装置3，包括用于固定装置(底部支 撑22和竖直支撑23)、电机24、双轴恒力升降杆25、搅拌叶轮26，用于提供驱动力的电 机24由双轴恒力升降杆25安装在固定装置上(双轴恒力升降杆25可以调节控制搅拌叶轮 上下移动，可以实现搅拌叶轮的上下移动，同时配置智能型电机调速控制仪，可调节叶轮转速范围为100-8000r/min)，电机24的输出轴穿过盖子9上的中心孔，电机24的输出轴上 安装有用于搅拌的搅拌叶轮26(具有多种直径的搅拌叶轮)，固定装置安装在试验容器4上。
固定装置括包底部支撑22和竖直支撑23，底部支撑22固定在试验容器4上，竖直支撑 23的下端与底部支撑22固定，竖直支撑23的上端安装双轴恒力升降杆(即升降装置)25。
试验容器4采用耐磨损、耐腐蚀材质制成，上端开口，具有内外两层和内外层之间的夹 层，内层的侧面底部有底部固定部件12，用来固定砂浆试件，试验容器4外层的外壁左右两 侧的上下近端分别设有宝塔型开口，用以连接软管和夹层连通。
上述的控温装置1可控制试验环境温度在温室到99.9℃之间。
一种测试海工混凝土抗冲磨性能的试验方法，包括以下步骤：
S1：准备测试海工混凝土抗冲磨性能的试验装置；
S2：按照国标《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081)中规定的“混凝土 试件的成型与养护方法”，采用直径100mm、高50mm的圆柱型模具成型胶砂或者混凝土，养护至规定龄期后取出，得到试件；
S3：试验前，将试件放入水中进行饱水处理，至少浸泡48h；
S4：试验时，取出试件，擦去表面水分，称重，将试件放入试验装置的试验容器4内底 部的底部固定部件内(底座内)12固定；
S5：在试验容器4内倒入冲磨介质(钢球)11于试件表面，按照美国ASTM D1141-2003d 的规定配制标准浓度的人工海水溶液，之后将人工海水溶液倒入试验容器4内浸没试件上表 面60mm；
S6：在恒温水浴水箱(循环水浴水箱)14中加入水浸没水泵(循环泵)21和内置出水管，将恒温水浴水箱14内水温调至设定温度25℃，启动水泵21；
S7：30min后，用温度计测量试验容器(试验桶)4的人工海水溶液的温度，此时人工海水溶液的温度达到25℃；
S8：将搅拌叶轮26下降至人工海水溶液液面以下，试件上表面以上30mm，盖上盖子9， 启动搅拌叶轮，调节转速至2400r/min，测量此时的水流速度并记录，冲磨试验开始；
S9：每隔12h，在试验容器(试验桶)4内加1～2次人工海水溶液至原水位高度；
S10：累积冲磨72h，取出试件，清洗干净，擦去表面水分，进行称重；
S11：重复步骤S2-S10，记录每次试验后试件的质量损失量，按照《水工混凝土试验规 程》DL/T 5150-2001中的公式1，计算试件的抗冲磨强度fa；
式中：
fa——试件的抗冲磨强度，即单位面积上被磨损单位质量所需的时间，h·m2·kg-1；
T——试验累积时间，h；
A——试件受冲磨面积，m2
ΔM——经T时段冲磨后，试件损失的累积质量，kg。
上述实施例仅为本发明的具体实现方式，其描述较为具体和仔细，但不能理解为对本发 明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前 提下，还可以做出若干变形和改进，这些显而易见的替换形式均属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种测试海工混凝土抗冲磨性能的试验装置，其特征在于：包括用于容纳模拟海水和试件的试验容器(4)，用于控制试验容器(4)内试验环境温度的控温装置(1)，以及用于驱动水流、模拟海浪冲刷的搅拌装置(3)和用于连接试验容器和控温装置的连通管(2)；试件(7)位于试验容器(4)内，试件(7)由底部固定部件(12)固定在试验容器(4)上，使用时试验容器(4)内装有人工海水溶液(10)，试件(7)的上表面铺有冲磨介质(11)，搅拌装置(3)的搅拌叶轮位于试验容器(4)内；试验容器(4)由2根连通管(2)与控温装置(1)相连通。
2.根据权利要求1所述的一种测试海工混凝土抗冲磨性能的试验装置，其特征在于：所述试验容器(4)为内径110mm、外径150mm、高200mm、底部5厚度30mm的圆柱桶；试验容器(4)内的底部(5)处设有底部固定部件(12)，底部固定部件(12)用来固定试件(7)；试验容器(4)内设有夹层(6)，夹层(6)的宽度为10mm，试验容器(4)的外壁左侧的上端部设有出水口(8)，出水口(8)与夹层(6)相连通，出水口(8)由第二根连通管(2)与控温装置(1)的恒温水浴水箱上的循环水进水口(19)相连通，试验容器(4)的外壁右侧的下端部设有进水口(13)，进水口(13)与夹层(6)相连通，进水口(13)由第一根连通管(2)与控温装置(1)的恒温水浴水箱上的循环水出水口(20)相连通；试验容器(4)的上端安装有盖子(9)，盖子(9)的中心设有中心孔。
3.根据权利要求2所述的一种测试海工混凝土抗冲磨性能的试验装置，其特征在于：盖子(9)由两个半圆盘形盖子组成，两个半圆盖的中心对应设有半圆孔。
4.根据权利要求1所述的一种测试海工混凝土抗冲磨性能的试验装置，其特征在于：用于控制试验容器(4)内试验环境温度的控温装置(1)，包括恒温水浴水箱(14)、加热器、以及直接安装在恒温水浴水箱上的控制器(15)；恒温水浴水箱(14)内部设有水泵(21)，水泵(21)由内置出水管与循环水出水口(20)相连，恒温水浴水箱(14)外壁的上端部设有循环水进水口(19)，使用时恒温水浴水箱(14)内装有循环水(10)；加热器位于恒温水浴水箱(14)内，加热器与控制器(15)的温度设置器(17)相连，控制器(15)包括循环水开关(16)、温度设置器(17)、加热开关(18)，加热开关(18)设置在加热器与温度设置器(17)相连的线路上，循环水开关(16)设置在水泵(21)的电源线上。
5.根据权利要求1所述的一种测试海工混凝土抗冲磨性能的试验装置，其特征在于：用于驱动水流、模拟海浪冲刷的搅拌装置(3)，包括用于固定装置、电机(24)、双轴恒力升降杆(25)、搅拌叶轮(26)，用于提供驱动力的电机(24)由双轴恒力升降杆(25)安装在固定装置上，电机(24)的输出轴穿过盖子(9)上的中心孔，电机(24)的输出轴上安装有用于搅拌的搅拌叶轮(26)，固定装置安装在试验容器(4)上。
6.根据权利要求4所述的一种测试海工混凝土抗冲磨性能的试验装置，其特征在于：固定装置括包底部支撑(22)和竖直支撑(23)，底部支撑(22)固定在试验容器(4)上，竖直支撑(23)的下端与底部支撑(22)固定，竖直支撑(23)的上端安装双轴恒力升降杆(25)。
7.如权利要求1所述的一种测试海工混凝土抗冲磨性能的试验方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：准备测试海工混凝土抗冲磨性能的试验装置；
S2：按照国标《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081)中规定的“混凝土试件的成型与养护方法”，采用直径100mm、高50mm的圆柱型模具成型胶砂或者混凝土，养护至规定龄期后取出，得到试件；
S3：试验前，将试件放入水中进行饱水处理，至少浸泡48h；
S4：试验时，取出试件，擦去表面水分，称重，将试件放入试验装置的试验容器(4)内底部的底部固定部件内(12)固定；
S5：在试验容器(4)内倒入冲磨介质(11)于试件表面，按照美国ASTM D1141-2003d的规定配制标准浓度的人工海水溶液，之后将人工海水溶液倒入试验容器(4)内浸没试件上表面60mm；
S6：在恒温水浴水箱(14)中加入水浸没水泵(21)和内置出水管，将恒温水浴水箱(14)内水温调至设定温度25℃，启动水泵(21)；
S7：30min后，用温度计测量试验容器(4)的人工海水溶液的温度，此时人工海水溶液的温度达到25℃；
S8：将搅拌叶轮(26)下降至人工海水溶液液面以下，试件上表面以上30mm，盖上盖子(9)，启动搅拌叶轮，调节转速至2400r/min，测量此时的水流速度并记录，冲磨试验开始；
S9：每隔12h，在试验容器(4)内加1～2次人工海水溶液至原水位高度；
S10：累积冲磨72h，取出试件，清洗干净，擦去表面水分，进行称重；
S11：重复步骤S2-S10，记录每次试验后试件的质量损失量，按照《水工混凝土试验规程》DL/T 5150-2001中的公式1，计算试件的抗冲磨强度fa；
式中：
fa——试件的抗冲磨强度，即单位面积上被磨损单位质量所需的时间，h·m2·kg-1；
T——试验累积时间，h；
A——试件受冲磨面积，m2
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